真空断路器的机构的选择

断路器是终极的电气安全保护设备，在电网发生故障时，可靠开断短路电流是最重要的。操作机构是直接影响断路器可靠性、成本和尺寸的关键组件。本节介绍了中压真空断路器机构的操作原理，即电磁、弹簧和永磁操作机构。

国际电工委员会（IEC）和美国国家标准协会（ANSI）两个主要的标准化机构。

IEC和ANSI/IEEE规定的断路器标准在额定值和性能方面的要求差异显著。因此，全球制造商通常有两种不同标准的产品。在过去几年中，IEC和IEEE标准化委员会在中压断路器标准型式试验方面的融合取得了进展。

所有适用于中压断路器的标准都将操作机构视为其组件。标准中规定了机械功能的额定参数和要求，以及验证机械和电气性能的测试程序。额定参数值以满足实际操作需求为目的，考虑了其寿命周期内需要承受的典型的开关顺序和合-分闸（CO）循环的次数。

标准还定义了额定操作顺序，由合闸（C）和分闸（O）表示的机械操作，加上以秒(s)或分钟(min)表示的时间间隔（t）组合而成。IEC和ANSI/IEEE机械操作标准中规定的操作次数和操作顺序覆盖了断路器应用中的大多数需求。

当今全球市场中压真空断路器VCB和自动重合器有三种操作机构类型。这三类是依据真空断路器分合闸储能采用的不同技术来划分的。

■ 电磁机构

电磁机构使用压缩弹簧使断路器分闸，使用电磁线圈使其合闸，合闸的同时给分闸弹簧储能。电磁操作机构所需的能量由直流或交流辅助电源提供。

电磁线圈通电时需要很大的电流冲击，因此需要大容量的辅助电源（直流电池或低压交流）或大电容放电来供电，此外还需要有大容量的辅助触点。跟弹簧操动机构相比，电磁机构比较笨重，因此现在实践中已很少使用了。

■ 弹簧机构

弹簧机构使用两只单独的储能弹簧，分别来存储断路器分、合闸所需的能量。

合闸弹簧要有足够的能量使分闸弹簧储能，合闸弹簧可通过手动或由辅助电源供电的小型电动机实现储能。

VCB弹簧机构有两种基本类型：

● 不需要快速重合闸的VCB机构（如 O–3min–CO额定操作顺序）；

● 能够执行快速重合闸的VCB机构（如 O–0.3s–CO-15s-CO额定操作顺序）。

■ 永磁机构（PMA）

永磁操作机构（PMA）使用存储在电解电容器中的能量进行合闸操作，永磁体使断路器锁定在合闸位置。

PMA机构专门为中压真空断路器VCB而设计。

PMA机构有两大类：单稳态（单磁锁定）和双稳态（双磁锁定）。

单稳态PMA机构的原理与电磁结构相似，只不过在合闸位置时，机械位置锁定被永久磁铁锁定替代。

合闸力量的设计要能够使真空断路器保持合闸且具有足够的接触压力，同时还要给分闸弹簧储能。

在双稳态PMA机构中，永磁体可将衔铁锁定在分闸位置和合闸位置。分闸或合闸线圈中的直流电流产生的高磁通量，可以将衔铁从一个位置移动到另一个位置。该磁通会减少了电磁锁定的力度，并在另一个空气间隙中产生一个相反方向的力。

分合闸操作所需的能量来自两个独立的电解电容器，分别放电到分合闸线圈中。

在直流电源失电时，手动跳闸很复杂，因为这时需要利用杠杆施加一个很大的力才能将衔铁从永磁磁铁合闸锁定位置上脱离，而且还要提供跳闸所需的能量。

单稳态永磁操动机构往往优于双稳态永磁操动机构，原因如下：

● 消除不完全分闸的危险（通过为分闸弹簧储能来储存分闸能量）。

● 简单的手动和电动跳闸（只需解除永磁通量以打开VCB）。

PMA机构需要一个由直流或交流辅助电源供电的电子控制系统，提供直流为电解电容器充电、将储存的能量释放到分闸或合闸线圈中、一旦VCB达到分闸或合闸位置时，切断能量源。

在大多数设计中，电子控制系统用于监视电容器和操作线圈的状态，在异常情况下发出告警。

电解电容器是一个关键组件，因为它负责存储必要的电能，并产生PMA操作所需的电流脉冲。在80VDC充电电压下，典型电容值为100,000μF时，可提供320J的存储能量，足以执行一个VCB快速重合闸顺序，包括CO操作之间的短时间间隔的顺序。

虽然弹簧机构和PMA机构基于不同的技术，但两者都适合大多数中压真空断路器的应用。

真空断路器的可靠性与一台新设备在实验室中达到的最大操作次数无关。真正要考虑的参数是运行MTBF(故障之间的平均时间)。

弹簧机构的可靠性只是取决于机械系统故障率，而PMA机构的可靠性则由机械和电子故障率的组合决定。虽然弹簧机构在长时间不活动后存在“慢分闸”的风险，但可以通过开展定期VCB操作降低这种风险。

综上所述，“具有较高机械寿命的PMA机构的VCB比电动弹簧操作的VCB更可靠”，笔者对这一观点的逻辑论证提出质疑。

这种定性分析仅仅强调了影响VCB操作机构可靠性的几个方面，从而引发了MV开关设备专家的争论。 因此，仍需要进一步的工作来建立起准确的VCB可靠性模型。